畢業(yè)設(shè)計--噸液壓挖掘機的挖掘機構(gòu)設(shè)計

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1、中 國 礦 業(yè) 大 學 本科生畢業(yè)論文 姓 名：學 號： 學 院：應(yīng)用技術(shù)學院 專 業(yè)：機械工程及自動化 論文題目：2噸液壓挖掘機的挖掘機構(gòu) 專 題： 指導教師：職 稱： 2007年6月徐州 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文任務(wù)書 學院專業(yè)年級學生姓名 任務(wù)下達日期：2007年1月11日 畢業(yè)論文日期：2007年3月25日至2007年6月20日 畢業(yè)論文題目：2噸液壓挖掘機的挖掘機構(gòu) 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 1.設(shè)計參數(shù)： 標準斗容：0.2m3；挖掘力2噸 挖掘Ⅳ級及以下土壤。 2.設(shè)計要求： 通過畢業(yè)實習、查閱資料，

2、制定總體方案，完成主要部件裝配圖設(shè)計，設(shè)計總圖量不少于3張0號圖。 3.按畢業(yè)設(shè)計指導書要求編寫設(shè)計說明書。 院長簽字： 指導教師簽字： 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文指導教師評閱書 指導教師評語（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）： 成 績： 指導教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決

3、實際問題的能力；④工作量的大??；⑤取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑥寫作的規(guī)范程度；⑦總體評價及建議成績；⑧存在問題；⑨是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文評閱教師評閱書 評閱教師評語（①選題的意義；②基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；④工作量的大?。虎萑〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點；⑥寫作的規(guī)范程度；⑦總體評價及建議成績；⑧存在問題；⑨是否同意答辯等）： 成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學畢業(yè)論文答辯及綜合成績 答 辯 情 況 提 出

4、問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學院領(lǐng)導小組綜合評定成績： 學院領(lǐng)導小組負責人： 年 月 日 摘 要 本次設(shè)計的題目是履帶式液壓挖掘機挖掘機構(gòu)。與其它類型的挖掘機相比，這種類型的挖掘機因有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。 液壓挖掘機的主要特點為：能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，

5、能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可作高速反轉(zhuǎn)，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動化控制，易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。 本次設(shè)計的主要參數(shù)是斗容量0.2m3,它屬于中小型液壓挖掘機，主要設(shè)計挖掘機的工作裝置、液壓傳動原理。 在設(shè)計中，采用了履帶式行走裝置，來滿足要求。上部轉(zhuǎn)臺是全回轉(zhuǎn)式，因此它可在一個更大的范圍內(nèi)工作。又因采用液壓傳動控制而使整機性能得以改善。與機械式挖掘機相比，其挖掘力提高到2～3倍，整機質(zhì)量約為5噸，挖掘力約為30kN，最大卸載高度約為2.65m，最大挖掘深度4.2m，最大挖掘半徑約為5.728m，從中

6、可以看出整機作業(yè)能力有了很大的改進，不僅挖掘力大，且機器重量輕，傳動平穩(wěn)，作業(yè)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。另外，還對挖掘機的工作裝置提出基于結(jié)構(gòu)推理的機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計方法。 關(guān)鍵詞：液壓挖掘機 ；挖掘機構(gòu) ；液壓系統(tǒng) ABSTRACT This designed topic is the marchinghydraulic excavatorexcavational organization. Compared with other types excavators, thiskind of type excavator used very universal that because has g

7、ood through theperformance, also may use tolengthenswidens as well as the floating type caterpillar bandto reduce pressure for the soft ground or the bogregion. The hydraulic excavator main characteristic is: not only can adjusts the steplessspeed but also can adjust scope very big, canobtain a low

8、er stable rotational speed, when action quickly, thehydraulic parts produce inertia small, accelerational theperformancegood,and may make the high speed reverse, the transmission steady,structure simple, may absorb attacks and vibrates, the operationreduces effort, and to be easy to realize the auto

9、mated control, is easyto realize the standardization, the seriation, the universalization. This designed main parameter is scoop capacity 0.2m3, it is long to themiddle and small scale hydraulic excavator, mainly design the excavator，s the work installment and the hydraulic transmissionprinciple.

10、In the design, used marching walked the installment to satisfied request. Upside the turnplate is the entire rotation , thereof it may work in a greater scope. And further because uses the hydraulicsteering to enable the entire machine performance to improve. Compared with the mechanical type excava

11、tor, its excavation strength enhance to 2 ~ 3 times, the entire machine weight approximately is 5 tons,the excavation strength approximately is 30kN, the biggest unloadinghigh approximately is 2.65m, biggest digging depth is 4.2m, the biggestexcavation radius approximately is 5.728m, thus can see th

12、eentire machine work ability to have the very big improvement, not onlyexcavation strength big, but also machine weight light, transmissionsteadyly, work efficiency is high, the structure is compact. Moreover, butalso proposes to the excavator work installment based on the structureinference organiz

13、ation plan innovation design method. Key word：Hydraulic excavator?。籈xcavation organization??；Hydraulic system 目 錄 1　緒論1 1.1液壓挖掘機的工作特點和基本類型2 液壓挖掘機的主要優(yōu)點2 液壓挖掘機的基本類型及主要特點3 1.2液壓挖掘機的發(fā)展概況4 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢4 國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況4 1.3本次設(shè)計概述5 1.4反鏟裝置的工作原理5 1.5本次設(shè)計任務(wù)6 2　總體設(shè)計方案7 2.1工作裝置設(shè)計方案原則7 2.2液壓系

14、統(tǒng)設(shè)計方案原則（總體）7 單斗液壓挖掘機作業(yè)過程8 對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求8 對液壓系統(tǒng)基本的要求8 3　挖掘機的工作裝置設(shè)計10 3.1確定動臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式10 確定動臂的結(jié)構(gòu)形式10 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式11 3.1.3 確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式和斗齒安裝結(jié)構(gòu)11 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式13 3.2確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置14 動臂油缸的布置14 斗桿油缸的布置16 鏟斗油缸的布置16 3.3動臂、斗桿、鏟斗機構(gòu)參數(shù)的選擇17 反鏟裝置總體方案的選擇17 機構(gòu)自身幾何參數(shù)18 斗形參數(shù)的選擇20 3.3.4 動臂機構(gòu)參數(shù)的選擇24 斗桿

15、機構(gòu)參數(shù)的選擇29 連桿、搖臂參數(shù)的選擇31 4　挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計32 4.1確定液壓系統(tǒng)類型32 4.2液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選擇33 系統(tǒng)主參數(shù)的確定33 挖掘機液壓缸作用力的確定33 4.3液壓系統(tǒng)初步計算41 工作裝置傳動計算41 行走機構(gòu)傳動計算43 回轉(zhuǎn)機構(gòu)傳動計算45 液壓泵參數(shù)選擇和發(fā)動機功率計算45 主油管管徑和油箱容量46 5 工作裝置的強度計算48 5.1斗桿的計算48 5.2動臂的計算57 6 液壓挖掘機機構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計59 6.1基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計過程模型59 6.2液壓挖掘機機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計60 結(jié)論67 參考

16、文獻68 致謝69 1緒論 液壓挖掘機是在機械傳動挖掘機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的工作過程是以鏟斗的切削刃切削土壤，鏟斗裝滿后提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后的鏟斗再回到挖掘位置并開始下一次的作業(yè)。因此，液壓挖掘機是一種周期作業(yè)的土方機械。 液壓挖掘機與機械傳動挖掘機一樣，在工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利施工、露天采礦及現(xiàn)代化軍事工程中都有著廣泛的應(yīng)用，是各種土石方施工中不可缺少的一種重要機械設(shè)備。 在建筑工程中，可用來挖掘苦坑、排水溝，拆除舊有建筑物，平整場地等。更換工作裝置后，可進行裝卸、安裝、打樁和拔除樹根等作業(yè)。 在水利施工中，可用來開挖水庫、運河、水電站堤壩的基坑、排水或灌

17、溉的溝渠，疏浚和挖深原有河道等。 在鐵路、公路建設(shè)中，用來挖掘土方、建筑路基、平整地面和開挖路旁排水溝等。 在石油、電力、通信業(yè)的基礎(chǔ)建設(shè)及市政建設(shè)中，用來挖掘電纜溝和管道等。 在露天采礦場上，可用來剝離礦石或煤，也可用來進行堆棄、裝載和鉆孔等作業(yè)。 在軍事工程中，或用來筑路、挖壕溝和掩體、建造各種軍事建筑物。 所以，液壓挖掘機作為工程機械的一個重要品種，對于減輕工人繁重的體力勞動，提高施工機械化水平，加快施工進度，促進各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都　起著很大的作用。據(jù)建筑施工部門統(tǒng)計，一臺斗容量1.0m3的液壓挖掘機挖掘Ⅰ～Ⅳ級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當于300～400個工人一天的工作量。

18、因此，大力發(fā)展液壓挖掘機，對于提高勞動生產(chǎn)率和加速國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。 1.1液壓挖掘機的工作特點和基本類型 液壓挖掘機的主要優(yōu)點 液壓挖掘機在動力裝置之間采用容積式液壓靜壓傳動，即靠液體的壓力能進行工作。液壓傳動與機械傳動相比有許多優(yōu)點。 ①能無級調(diào)速且調(diào)速范圍大，例如液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比可達1000∶1。 ②能得到較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，例如柱塞式液壓馬達的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可低達1r/min。 ③快速作用時，液壓元件產(chǎn)生的運動慣性小，加速性能好，并可作調(diào)整反轉(zhuǎn)。例如電動機在啟動時的慣性力矩比其平穩(wěn)運轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩大50%，而液壓馬達則不大于5%，加速中等功率電動機需1s到數(shù)

19、秒，而加速液壓馬達只需0.1s。 ④傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，可吸收沖擊和振動，操縱省力，易實現(xiàn)自動化控制。 ⑤易于實現(xiàn)標準化、系列化、通用化。 基于液壓傳動的上述優(yōu)點，液壓挖掘機與機械傳動挖掘機相比，具有下列主要特點： ①大大改善了挖掘機的技術(shù)性能，挖掘力大、牽引力大，機器重量，傳動平穩(wěn)，作用效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓挖掘機與同級機械傳動挖掘機相比，挖掘力約高30%，例如1.0m液壓挖掘機鏟斗挖掘力120～150kN，而同級機械傳動挖掘機只有100kN左右。 挖掘機在工作時的主要動作包括行走、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)和工作裝置的作業(yè)動作，其中動作最頻繁的是回轉(zhuǎn)和工作裝置的循環(huán)往復運動。這種往復運動一般速度不

20、高，而所需作用力卻很大，要求在短時間內(nèi)通過變速或換向來完成各種復雜動作。機械傳動挖掘機完成上述運動需通過磨擦離合器、減速器、制動器、逆轉(zhuǎn)機構(gòu)、提升和推壓機構(gòu)等配合來完成。因此，機械傳動挖掘力不僅結(jié)構(gòu)復雜，而且還要產(chǎn)生很大的慣性力和沖擊載荷。而液壓挖掘機則不需要龐大和復雜的中間傳動，大大簡化了結(jié)構(gòu)，也減少了易損件。由于結(jié)構(gòu)簡化，液壓挖掘機的質(zhì)量大約比相同斗容量的機械傳動挖掘機輕30%，不僅節(jié)省了鋼材，而且降低了接地比壓。液壓挖掘機上的各種液壓元件可相對獨立布置，使整機結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀，同時也易于改進或變型。 ②液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)有防止過載的能力，所以使用安全可靠，操縱簡便。由于可采用液壓先

21、導控制，無論驅(qū)動功率多大，操縱均很靈活、省力，司機的工作條件得到改善。更換工作裝置時，由于不牽連轉(zhuǎn)臺上部的其他機構(gòu)，因此更換工作裝置容易，而機械式挖掘機則受到提升機構(gòu)和推壓機構(gòu)的牽連和限制。 ③由于液壓傳動易于實現(xiàn)自動控制，因此現(xiàn)代液壓挖掘機普遍采用了以微處理器為核心的電子控制單元（ECU），使發(fā)動機、液壓泵、控制閥和執(zhí)行元件在最佳匹配狀態(tài)下工作，以實現(xiàn)節(jié)能和提高作業(yè)效率，同時還可實現(xiàn)整機狀態(tài)參數(shù)的電子監(jiān)控和故障診斷。 ④液壓元件易于實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織大規(guī)模專業(yè)化生產(chǎn)，進一步提高質(zhì)量和降低成本。 液壓挖掘機的基本類型及主要特點 液壓挖掘機種類繁多，可以從不同角度對其類

22、型進行劃分。 ⑴根據(jù)液壓挖掘機主要機構(gòu)傳動類型劃分。 根據(jù)液壓挖掘機主要機構(gòu)是否全部采用液壓傳動，分為全液壓傳動和非全液壓（或稱半液壓）傳動兩種。若挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等幾個主要機構(gòu)的動作均為液壓傳動，則為全液壓挖掘機。若液壓挖掘機中的某一個機構(gòu)采用機械傳動，則稱其為非全液壓（或半液壓）挖掘機。一般說來，這種區(qū)別主要表現(xiàn)在行走機構(gòu)上。對液壓挖掘機來說，工作裝置及回轉(zhuǎn)機構(gòu)必須是液壓傳動，只有行走機構(gòu)有的為液壓傳動，有的為機械傳動。 ⑵根據(jù)行走機構(gòu)的類型劃分 根據(jù)行走機構(gòu)的不同，液壓挖掘機可分為履帶式、輪胎式、汽車式、懸掛式及拖式。 履帶式液壓挖掘機應(yīng)用最廣，在任何路面行走均有良好的通過性，

23、對土壤有足夠的附著力，接地比壓小，作業(yè)時不需設(shè)支腿，適用范圍較大。在土質(zhì)松軟或沼澤地帶作業(yè)的液壓挖掘機，還可通過加寬履帶來降低接地比壓。為防止對路面的碾壓破壞、有些液壓挖掘機還采用了橡膠履帶。通常，履帶行走的液壓挖掘機多為全液壓傳動。 輪胎式液壓挖掘機具有行走速度快，機動性好，可在多種路面通行的特點。近年來，輪胎式挖掘機的生產(chǎn)量日漸增長。 懸掛式液壓挖掘機是將工作裝置安裝在輪胎式或履帶式拖拉機上，可以達到一機多用的目的。這種挖掘機拆裝方便，成本低廉。 汽車式液壓挖掘機一般采用標準的汽車底盤，速度快，機動性好。 拖式液壓挖掘機沒有行走傳動機構(gòu)，行走時由拖拉機牽引， ⑶根據(jù)工作裝置劃分

24、 根據(jù)工作裝置結(jié)構(gòu)不同，可分為鉸接式和伸縮臂式挖掘機。鉸接式工作裝置應(yīng)用較為普遍。這種挖掘機的工作裝置靠各構(gòu)件繞鉸點轉(zhuǎn)動來完成作業(yè)動作。伸縮臂式挖掘機的動臂由主臂及伸縮臂組成，伸縮臂可在主臂臂內(nèi)伸縮，還可以變幅。伸縮臂前端裝有鏟斗，適于進行平整和清理作業(yè)，尤其是修整溝坡。 1.2液壓挖掘機的發(fā)展概況 挖掘機械的最早雛形，主要用于河道。港口的疏浚工作，第一臺有確切記載的挖掘機械是1796年英國人發(fā)明的蒸汽“挖泥鏟”。而能夠模擬人的掘土工作，在陸地上使用的蒸汽機驅(qū)動的“動力鏟”于1835年在美國誕生，主要用于修筑鐵路的繁重工作，被認為是現(xiàn)代挖掘機的先驅(qū)，距今已有170多年歷史。1950年，德國

25、研制出世界上第一臺全液壓挖掘機。由于科學技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料不斷在挖掘機上得到應(yīng)用，尤其是電子技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用使得液壓挖掘機在作業(yè)效率、可靠性、安全性和操作舒適性以節(jié)能、環(huán)保等方面有了長足的進步。目前液壓挖掘機已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，成為土石方施工不可缺少的重要機械設(shè)備。 國外液壓挖掘機目前水平及發(fā)展趨勢 工業(yè)發(fā)達國家的液壓挖掘機生產(chǎn)較早，產(chǎn)品線齊全，技術(shù)成熟。美國、德國和日本是液壓挖掘機的主要生產(chǎn)國，具有較高市場占有率。20世紀后期開始，國際上液壓挖掘機的生產(chǎn)從產(chǎn)品規(guī)格上看，在穩(wěn)定和完善主力機型的基礎(chǔ)上向大型化、微型化方向發(fā)展；從產(chǎn)品性能上看，向高效節(jié)能化、自動

26、化、信息化、智能化的方向發(fā)展。 國內(nèi)液壓挖掘機的發(fā)展概況 我國從1967年開始研制液壓挖掘機。早期開發(fā)成功的產(chǎn)品主要有上海建筑機械廠的WY100、貴陽礦山機器廠的W4－60、合肥礦山機器廠的WY60等。到20世紀70年代末80年代初，長江挖掘機廠和杭州重型機械研制成功了WY160和WY250等液壓挖掘機產(chǎn)品。從1994年開始，美國的卡特彼勒公司、日本的神戶制鋼所、日本的小松制作所、日本的日立建機株式會社、韓國大宇重工、韓國現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾、德國雪孚、德國阿特拉斯、瑞典沃爾沃等公司先后在中國建立了中外合資、外商獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機產(chǎn)品

27、。近年來我國經(jīng)濟增長迅速，液壓挖掘機市場需求不斷擴大，形成了巨大的挖掘機市場空間，但該行業(yè)主要由合資企業(yè)和外資企業(yè)所壟斷。國內(nèi)一些工程機械待業(yè)的上市股分公司合資的方式介入了挖掘機產(chǎn)業(yè)，同時國內(nèi)還有眾多的企業(yè)也在生產(chǎn)液壓挖掘機，但在生產(chǎn)規(guī)模、品種、質(zhì)量等方面與國外大公司相比還有一定差距。為了發(fā)展民族挖掘機產(chǎn)業(yè)，必須瞄準國際先進水平，圍繞國內(nèi)外兩個市場，在充分利用國際化配套的國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，增強自主創(chuàng)新意識，掌握核心設(shè)計制造技術(shù)，發(fā)揮性價比優(yōu)勢，提高產(chǎn)品競爭力，把我國液壓挖掘機產(chǎn)品做大做強。 1.3本次設(shè)計概述 本次設(shè)計斗容量為0.2m3,全液壓履帶式挖掘機型號為WY20型，由于履帶式液

28、壓挖掘機有良好通過性能應(yīng)用最廣，對松軟地面或沼澤地帶還可采用加寬、加長以及浮式履帶來降低接地比壓。 1.4反鏟裝置的工作原理 反鏟工作裝置是液壓挖掘機的一種主要工作裝置，如圖1－1所示。 圖1－1　整體式彎動臂 液壓反鏟工作裝置一般由動臂1、動臂液壓缸2、斗桿液壓缸3、斗桿4、鏟斗液壓缸5、鏟斗6、連桿7和搖桿8等組成。其構(gòu)造特點是各構(gòu)件之間全部采用鉸接連接，并通過改變各液壓缸行程來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。動臂1的下鉸點與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，并以動臂液壓缸2來支承動臂，通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿4鉸接于動臂的上端，可繞鉸點轉(zhuǎn)動，斗桿與動臂的相對轉(zhuǎn)角由斗液

29、壓缸5控制，當斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點轉(zhuǎn)動。鏟斗6則鉸接于斗桿4的末端，通過鏟斗液壓缸5的伸縮來使鏟斗繞鉸點轉(zhuǎn)動。為了增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機構(gòu)（即連桿7和搖桿8）與鏟斗連接。液壓挖掘機反鏟工作裝置主要用于挖掘停機面以下的土壤，如挖掘溝壕、基坑等，其挖掘軌跡取決于各液壓缸的運動及其組合。反鏟液壓挖掘機的工作過程為，先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作裝置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤；斗桿挖掘可獲得較大的挖掘

30、行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實際工作中，熟練的液壓挖掘機人員可根據(jù)實際情況，合理操縱各個液壓缸，往往是各液壓缸聯(lián)合工作，實現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑時由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動臂和斗桿同時工作；當挖掘基坑底時，挖掘行程將結(jié)束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調(diào)整切削角時，則需要鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。 1.5本次設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計斗容量0.2m3挖

31、掘機的工作裝置及液壓系統(tǒng)，采用履帶式行走裝置，全液壓驅(qū)動，挖Ⅲ及以下土壤。 2　總體設(shè)計方案 2.1工作裝置設(shè)計方案原則 設(shè)計合理的工作裝置應(yīng)能滿足下列要求： ①主要工作尺寸及作業(yè)范圍能滿足要求，在設(shè)計通用反鏟裝置時要考慮與同類型、同等級機器相比的先進性?？紤]國家標準的規(guī)定，并注意到結(jié)構(gòu)參數(shù)受結(jié)構(gòu)碰撞限制等的可能性。 ②整機挖掘力的大小及其分布情況應(yīng)滿足使用要求，并具有一定的先進性。 ③功率利用情況盡可能好，理論工作時間盡可能短。 ④確定鉸點布置，結(jié)構(gòu)型式和截面尺寸形狀時盡可能使受力狀態(tài)有利，在保證強度、剛度和連接剛性的條件下盡量減輕結(jié)構(gòu)自重。 ⑤作業(yè)條件復雜，使用情況多變時應(yīng)

32、考慮工作裝置的通用性。采用變鉸點構(gòu)件或配套構(gòu)件時要注意分清主次，在滿足使用要求的前提下力求替換構(gòu)件種類少，結(jié)構(gòu)簡單，換裝方便。 ⑥運輸或停放時工作裝置應(yīng)有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行駛穩(wěn)定性好，保證安全可靠，并盡可能使液壓缸卸載或減載。 ⑦工作裝置液壓缸設(shè)計應(yīng)考慮三化。采用系列參數(shù)，盡可能減少液壓缸零件種類，尤其是易損件的種類。 ⑧工作裝置的結(jié)構(gòu)型式和布置便于裝拆和維修，尤其是易損件的更換。 ⑨要采取合理措施來滿足特殊使用要求。 2.2液壓系統(tǒng)設(shè)計方案原則（總體） 按照挖掘機各個機構(gòu)和裝置的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機連接起來的組合體叫做挖掘機的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的功能是把發(fā)

33、動機的機械能以油液為介質(zhì)，利用液壓泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗苓M行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達等執(zhí)行元件轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)各種動作。 2.2.1單斗液壓挖掘機作業(yè)過程 液壓挖掘機的作業(yè)過程包括下列幾個間歇動作：動臂升降、斗桿收放、鏟斗裝載、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、整機行走，以及其它輔助動作，除輔助動作不需要功率驅(qū)動外，其它都是挖掘機的主要動作，要考慮全功率驅(qū)動。 由于挖掘機的作業(yè)對象和工作條件變化較大，主機的工作有兩項特殊要求： ①實現(xiàn)各種主要動作時，阻力與作業(yè)速度隨時變化。因此，要求液壓缸和液壓馬達的壓力和流量也能相應(yīng)變化。 ②為了充分利用發(fā)動機功率和縮短作業(yè)循環(huán)時間，工作過程中往往要求有兩個主要動作同時進

34、行，叫做復合動作，這兩項要求需要由液壓系統(tǒng)來保證。 2.2.2對液壓系統(tǒng)作業(yè)動作要求 液壓挖掘機的動作復雜，機構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向，負載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外施工作業(yè)，溫度變化和地理條件差別大，因此，應(yīng)根據(jù)液壓挖掘機的工作特點和環(huán)境特點，對其液壓系統(tǒng)提出一些有別于其他應(yīng)用的基本要求。 液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足的作業(yè)動作要求如下。 ①保證液壓挖掘機動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨動作，也可以相互配合實現(xiàn)復合動作。 ②保證工作裝置的動作與回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)動作既能單獨動作，又能作復合動作，以提高液壓挖掘機的作業(yè)效率。 ③履帶式液壓挖掘機的左、右履帶應(yīng)能分別驅(qū)動，使挖掘機行走轉(zhuǎn)彎方

35、便靈活，并能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機的機動性。 ④保證液壓挖掘機工作安全可靠，對各機構(gòu)及液壓執(zhí)行元件應(yīng)具有完善的安全保護措施。例如，對回轉(zhuǎn)機構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因自重而下降過快；防止機器下坡行駛時超速溜坡等。 2.2.3對液壓系統(tǒng)基本的要求 根據(jù)液壓挖掘機的作業(yè)動作和環(huán)境特點，對液壓系統(tǒng)提出如下要求。 ①液壓挖掘機的液壓系統(tǒng)應(yīng)具有較高效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機的動力性和燃油經(jīng)濟性。 ②液壓系統(tǒng)和液壓元件在大負載和劇烈振動沖擊作用下，應(yīng)具有足夠的可靠性。 ③選擇輕便、適用、耐振的冷卻散熱系統(tǒng)，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使液壓系統(tǒng)工作溫度及溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。 ④由于液壓挖掘

36、機作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。 ⑤在必要時采用液壓先導或電液伺服操縱裝置，提高液壓挖掘機操作的舒適性，減輕操作人員的勞動強度。 ⑥在液壓系統(tǒng)中采用先進的自動控制技術(shù)，提高液壓挖掘機的技術(shù)性能指標，使液壓挖掘機具有節(jié)能、高效和自動適應(yīng)負載變化的特點。 3　挖掘機的工作裝置設(shè)計 3.1確定動臂、斗桿、鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 確定動臂的結(jié)構(gòu)形式 動臂是工作裝置中的主要構(gòu)件，斗桿的結(jié)構(gòu)形式往往決定于動臂的結(jié)構(gòu)形式。反鏟動臂分為整體式和組合式兩類。 直動臂構(gòu)造簡單、輕巧、布置緊湊，主要用于懸掛式挖掘機,如圖3－1所示。 圖3-1　

37、整體式直動臂 采用整體式彎動臂有利于得到較大的挖掘深度，它是專用反鏟裝置的常見形式。整體式彎動臂在彎曲處的結(jié)構(gòu)形狀和強度值得注意，有時采用三節(jié)變動臂有利于降低彎曲處的應(yīng)力集中。 整體式變動臂結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時結(jié)構(gòu)重量較組合式動臂輕。它的缺點是替換工作裝置少，通用性較差。為了擴大機械通用性，提高其利用率。往往需要配備幾套完全不通用的工作裝置。一般說，長期用于作業(yè)相似的反鏟采用整體式動臂結(jié)構(gòu)比較合適。如圖1－1所示。 組合式動臂一般都為彎臂形式。其組合方式有兩類，一類用輔助連桿（或液壓缸）連接，另一類用螺栓連接。 組合式動臂與整體式動臂相比各有優(yōu)缺點，它們分別適用于不同的作業(yè)條件。

38、組合式動臂的主要優(yōu)點是： 1．工作尺寸和挖掘力可以根據(jù)作業(yè)條件的變化進行調(diào)整。當采用螺栓或連桿連接時調(diào)整時間只需十幾分鐘，采用液壓缸連接時可以進行無級調(diào)節(jié)。 2．較合理地滿足各種類型作業(yè)裝置的參數(shù)和結(jié)構(gòu)要求，從而較簡單地解決主要構(gòu)件的統(tǒng)一化問題。因此其替換工作裝置較多，替換也方便。一般情況下，下動臂可以適應(yīng)各種作業(yè)裝置要求，不需拆換。 3．裝車運輸比較方便。 由于上述優(yōu)點，組合式動臂結(jié)構(gòu)雖比整體式動臂復雜，但得到了較廣泛的應(yīng)用。尤以中小型通用液壓挖掘機作業(yè)條件多時采用組合式動臂較為合適。 本次設(shè)計作業(yè)條件比較單一，所以選用整體式彎動臂。 確定斗桿的結(jié)構(gòu)形式 斗桿也有整體式和合式兩

39、種，大多數(shù)挖掘機都采用整體式斗桿，當需要調(diào)節(jié)斗桿長度或杠桿時采用更換斗桿的辦法，或者在斗桿上設(shè)置2～4個可供調(diào)節(jié)時選擇的與動臂端部鉸接的孔。有些反鏟采用組合式斗桿。 確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式和斗齒安裝結(jié)構(gòu) .1確定鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 鏟斗結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)的合理選擇對挖掘機的作業(yè)效果影響很大。鏟斗的作業(yè)對象繁多，作業(yè)條件也不同，用一個鏟斗來適應(yīng)任何作業(yè)對象和條件較困難。為了滿足各種特定情況，盡可能提高作業(yè)效率，通用反鏟裝置常配有甚至十多種斗容量不同，結(jié)構(gòu)形式各異的鏟斗。 目前，對鏟斗結(jié)構(gòu)形式的研究還處于現(xiàn)場試驗、實驗室試驗或模型試驗階段，未建立起較系統(tǒng)的理論。將兩只0.6m3容量而斗型不同的反鏟斗

40、裝在RH6液壓挖掘機上進行對比試驗，結(jié)果如表3－1所示。由于砂的挖掘阻力較小，對鏟斗設(shè)計的合理性反映不靈敏，所以這兩種鏟斗的試驗結(jié)果差別不大。而對頁巖作業(yè)效果就大不一樣，其中一個鏟斗的切削前緣中間略微凸出，不帶側(cè)齒，側(cè)臂略呈凹形，這些因素使頁巖挖掘阻力降低。另一個鏟斗的情況則相反。 對各種鏟斗結(jié)構(gòu)形狀的共同要求是： 1．有利于物料的自由流動，因此鏟斗內(nèi)壁不宜設(shè)置橫向凸緣、棱角等。斗底的縱向剖面形狀要適合各種物料的運動規(guī)律。 2．要使物料易于卸凈。用于粘土的鏟斗卸載時不易卸凈，因此延長了作業(yè)循環(huán)時間，降低了有效斗容量。國外采用設(shè)有強制卸土的粘土鏟斗。 反　鏟　斗　對　比　試　驗　結(jié)　果　

41、　　　表3-1 作業(yè)條件 鏟斗 編號 鏟斗充滿時間 （s） 生產(chǎn)率 （10kN/h） 效率 （%） 在頁巖中 作 業(yè) 鏟斗1 鏟斗2 19.05 40.6 42.6 22.68 100 53.3 在砂中 作 業(yè) 鏟斗1 鏟斗2 5.9 6.3 163.5 152.7 100 93.3 3．為了使裝進鏟斗的物料不易掉出，鏟斗寬度與物料顆粒直徑之比應(yīng)大于4：1。當此比值大于50：1時顆粒尺寸的影響可不考慮，視物料為勻質(zhì)。 4．裝設(shè)斗齒有利于增大鏟斗與物料剛接觸時的挖掘線比壓，以便切入或破碎阻力較大有物料。挖硬土或碎石時還能把石塊從土壤中

42、耙出。斗齒的材料、形狀、安裝結(jié)構(gòu)及其尺寸參數(shù)都值得研究，對它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更換。 .2確定斗齒安裝方式 目前，國產(chǎn)挖掘機斗齒安裝方式主要有兩類，斗容量≤0.6m3時多采用螺栓連接（圖3－2a），斗容量≥0.6m3時時多采用橡膠卡銷結(jié)構(gòu)（圖3－2b）。 本次設(shè)計斗容量為0.2 m3挖掘機，所以斗齒安裝方式為螺栓連接. 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 鏟斗與鏟斗液壓缸有三種型式（圖3－3），其區(qū)別主要在于液壓缸活塞桿端部與鏟斗的連接方式不同，圖3－3a為直接連接，鏟斗、斗桿與鏟斗液壓缸組成四連桿機構(gòu)。圖3－3b中鏟斗液壓缸通過搖桿1和連桿2與鏟斗相連，它們與斗桿一起組成六

43、連桿機構(gòu)。圖3－3d和圖3－3b類似，區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿端接于搖桿兩端之間。圖3－3c的機構(gòu)傳動比與b差不多， 圖3－2　斗齒安裝方式 但鏟斗擺角位置順時針方向轉(zhuǎn)動了一個角度。 六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機構(gòu)的傳動特性。六連桿方式b和d在液壓缸行程相同時，后者能得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。 本設(shè)計中選用圖3－3b的連接方式。 3.2確定動臂、斗桿、鏟斗油缸的鉸點布置 反鏟工作裝置實際上是多個連桿機構(gòu)的組合。在發(fā)動機功率、整機質(zhì)量和鏟斗容量等主要參數(shù)及工作裝置基本形式初步確定的情況下，工作裝置各鉸點在布置及各工

44、作油缸參數(shù)的選擇是否合理，會直接影響液壓挖掘機的實際挖掘能力。 圖3-3　鏟斗與鏟斗液壓缸的連接方式 動臂油缸的布置 動臂油缸一般布置在動臂前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，常見的有兩種具體布置方式。 ①油缸前傾布置方案，如圖3－4所示，動臂油缸與動臂鉸接于E點。當動臂油缸全伸出，將動臂舉升至上極限位置，動臂油缸軸線向轉(zhuǎn)臺前方傾斜。 ②油缸后傾布置方案，如圖3－5所示，當動臂油缸全伸出，將動臂舉升到上極限位置時，動臂油缸軸線向后方傾斜。 當兩方案的動臂油缸安裝尺寸DE′、鏟斗最大挖掘高度H和地面最大挖掘半徑R相等時，后傾方案的最大挖掘深度比前傾方案小，即＜。此外，在后傾方案中，動臂EF部

45、分往往比前傾方案的長，因此動臂所受彎矩也比3-4　動臂油缸前傾布置方案 圖3-5　動臂油缸后傾布置方案 較大。以上為動臂油缸后傾方案的缺點。然而，后傾方案動臂下鉸點C與動臂油缸下鉸點D的距離CD比前傾方案的大，則動臂在上下兩極位置時，動臂油缸的作用力臂Cp也較大。因此，在動臂油缸作用力相同時，后傾方圖為了增大后傾方案的挖掘深度，有的挖掘機將長動臂CE′F′改換成短動臂CE′F″（圖3－5），并配以長斗桿。在最大深度處挖掘時，采用鏟斗挖掘而還是斗桿挖掘，這樣得到的最大挖掘深度為′＞。 顯然，不論是動臂油缸前傾還是后傾方案，當C、D兩鉸點位置和CE長度均不變時，通過加大動臂油缸長度可以增大動

46、臂仰角，從而增大最大挖掘高度，但會影響到最大挖掘深度。所以，在布置油缸時，應(yīng)綜合考慮動臂的結(jié)構(gòu)、工作裝置的作業(yè)尺寸及動臂舉升力的挖掘力等因素。 本設(shè)計選用動臂油缸前傾布置方案。 斗桿油缸的布置 確定斗桿油缸鉸點、行程及斗桿力臂比時應(yīng)該考慮下列因素。 ①保證斗桿油缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。即油缸從最短長度開始推伸時和油缸最大伸出時產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)該大于正常挖掘阻力。油缸全伸時的力矩應(yīng)該足以支承滿載鏟斗和斗桿靜止不動。油缸力臂最大時產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于要求克服的最大挖掘范圍可以取得越小一些。 ②保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍一般取100°～130°。在斗桿油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時伸出最

47、長時，鏟斗前壁和動臂之間的距離應(yīng)大于10cm。一般來說，斗桿越長，則其擺角范圍可以取得越小一些。 鉸點位置的確定需要反復進行。在計算中初定鉸點位置，如不夠合理，應(yīng)進行適當修改。 鏟斗油缸的布置 確定鏟斗油缸鉸點應(yīng)考慮以下因素。 ①保證轉(zhuǎn)斗挖掘時產(chǎn)生足夠大的斗齒挖掘力，即在鏟斗油缸全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力應(yīng)大于正常工作情況下的挖掘阻力。當鏟斗油缸作用力臂最大時，所產(chǎn)生的最大斗齒挖掘應(yīng)能使?jié)M載鏟斗靜止不動。 ②保證鏟斗的擺角范圍。鏟斗的擺角范圍一般取140°～160°，在特殊作業(yè)時可以大于180°，擺角位置可以按圖3-6布置。當鏟斗油缸全縮時，鏟斗與斗桿軸線夾角（在軸線上方）應(yīng)大于10°

48、,常取15°～25°，鏟斗油缸全伸、鏟斗滿載回轉(zhuǎn)時，應(yīng)使土壤不從斗中撒落。 ③鏟斗從位置Ⅰ到位置Ⅱ時（圖3－6），鏟斗油缸作用力臂最大，這里能得到斗齒最大切削角度的1/2左右，即當鏟斗挖掘深度最大時，正好斗齒挖 圖3-6　鏟斗擺角范圍 掘力也最大。實際上鏟斗的切削轉(zhuǎn)角是可變的。在許多情況下，特別是進行復合動作挖掘時，鏟斗的切削轉(zhuǎn)角一般都小于100°，而且鏟斗也不一定都在初始位置Ⅰ開始挖掘。因此，目前一般取位置Ⅰ至位置Ⅱ的轉(zhuǎn)角為30°～50°，在這個角度范圍內(nèi)可以照顧到鏟斗在挖掘過程中能較好地適應(yīng)挖掘阻力的變化，又可以使鏟斗在開始挖掘時就有一定的挖掘力。 3.3動臂、斗桿、鏟斗機構(gòu)參數(shù)的

49、選擇 —工作裝置各部分重量對點的力矩之和，相應(yīng)的力臂值由圖5－1確定為： —由圖5－1畫圖得，＝1.36m； —由圖5－1畫圖得，＝1.99m； —由圖5－1畫圖得，＝1.1m； —由圖5－1畫圖得，＝0.325m； —由圖5－1畫圖得，＝3.16m； 整體彎曲動臂對彎曲部分的斷面進行強度計算時，應(yīng)考慮按曲梁進行驗算，即在彎曲平面內(nèi)的應(yīng)力按下式計算： （5－7） 式中：　—斷面積； —斷面彎曲處的曲率半徑； —重心至計算點的距離，該點在曲率中心與斷面重心之間為負，反之為正；、 —斷面形狀及曲梁曲率有關(guān)系數(shù)； ＝(積分范圍由斷面中心軸至最邊緣點)對簡單的幾何圖形（矩形圓

50、形等）為無窮級數(shù)，可以近似計算之，一般用替代，則； 動臂計算位置Ⅱ，條件為： 1） 動臂位于動臂液壓缸作用力臂最大值處（）； 2） 斗桿液壓缸作用力臂最大（斗桿液壓缸與斗桿尾部軸部夾角90°時）； 3） 鏟斗發(fā)揮最大挖掘力位置，進行正常挖掘。 此位置相當于斗計算位置Ⅱ′，工作裝置上的作用力亦相同。 動臂的內(nèi)力圖，包括軸向力，動臂平面內(nèi)的彎矩，剪力；平面外的彎矩，剪力和扭矩。 6 液壓挖掘機機構(gòu)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計 在機構(gòu)設(shè)計過程中，最重要的階段是機構(gòu)方案構(gòu)思一概念設(shè)計。在進行機構(gòu)設(shè)計之初，設(shè)計者不但需要具有設(shè)計的知識，而且需要具有相當?shù)墓こ探?jīng)驗、創(chuàng)造與直覺的能力、及許多其他方面的條件

51、，才能夠創(chuàng)造一種新型機構(gòu)以完成所希望的功能。這是一種發(fā)明行為，這不僅是設(shè)計對過程中最富有創(chuàng)造性的部分，也是機械設(shè)計過程中最為困難的地方。到目前為止，尚未有學者提出系統(tǒng)化的方法以引導設(shè)計者有系統(tǒng)地進行創(chuàng)新機構(gòu)。然而，大多數(shù)的機械設(shè)計實例(大約占機械設(shè)計實例的70%)不是憑空創(chuàng)造新機構(gòu)，而是在現(xiàn)有機構(gòu)(該機構(gòu)可能受專利保護)的基礎(chǔ)上進行修改，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)不同的新型機構(gòu)，以提高機器的質(zhì)量和性能，或者突破現(xiàn)有專利技術(shù)。下面結(jié)合液壓挖掘機構(gòu)的反鏟裝置，提出基于結(jié)構(gòu)推理的機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計方法?；诮Y(jié)構(gòu)推理的機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計是利用創(chuàng)造性發(fā)散原理，通過拓撲結(jié)構(gòu)類型綜合的方法，對現(xiàn)有的機械方案從拓撲聯(lián)接方面進行變

52、異創(chuàng)新，盡可能多的產(chǎn)生滿足設(shè)計功能要求的結(jié)構(gòu)變體，以便于尋找最優(yōu)的功能載體，尤其是創(chuàng)造新型機構(gòu)以回避專利保護機構(gòu)應(yīng)用方面更是結(jié)構(gòu)推理之長。 6.1基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計過程模型 由機構(gòu)演化及編譯原理可知，任何機構(gòu)，包括齒輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、凸輪機構(gòu)以及它們的組合，都可以視為連桿機構(gòu)的等效與變異，其原始型的構(gòu)造皆可通過連桿機構(gòu)的構(gòu)造來獲得。許多人在機構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合方面作了大量的工作，尤其是在非同構(gòu)基本運動鏈的構(gòu)造方面。按他們提出的方法，由計算機很容易自動生成滿足給定設(shè)計任務(wù)要求的非同構(gòu)運動鏈，而這些非同構(gòu)運動鏈基本運動鏈是構(gòu)造候選機構(gòu)型的基礎(chǔ)。下面所提出的基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計過程正是

53、在這些研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法可以劃分四個階段：首先是根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求確定相似的設(shè)計方案(原始機械方案)，然后對該原始方案進行抽象化表示，即將機構(gòu)方案一般化為運動鏈，在抽象化表示過程中記錄設(shè)計約束；其次根據(jù)機構(gòu)方案一般化運動鏈，在運動鏈圖譜庫中找出與一般化運動鏈具有相同桿數(shù)、自由度數(shù)以及連桿類型相同的所有非同構(gòu)的運動鏈，即運動鏈發(fā)散，并根據(jù)設(shè)計約束和適當?shù)脑u價方法進行篩選；第三，對評價篩選后的每個非同構(gòu)的運動鏈進行機構(gòu)識別、驅(qū)動副識別以及桿組識別，形成用連桿表達的準可行機械方案元型，即運動鏈再生；最后一個階段是將準可行機械方案元型根據(jù)實際設(shè)計需要，基于設(shè)計約束規(guī)則以及用戶交互式方法進行類

54、型替代，形成待評價的候選方案集轉(zhuǎn)入下一階段，并進行用戶交互式模糊評價，產(chǎn)生最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)推理過程模型如圖6-1所示。 原　始　機　械　方　案 方案抽象化表示 規(guī)　則　庫 推　理　機 非　同　構(gòu) 運　動　鏈 圖　譜　庫 機械方案非同構(gòu)結(jié)構(gòu) 確定驅(qū)動副 確定機架 機構(gòu)方案元型集 桿組識別 類型替換 候選方案集 圖6-1　基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計過程模型 6.2液壓挖掘機機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計 (1)液壓挖掘機基本結(jié)構(gòu)及其抽象化表示　　液壓挖掘機是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進行挖掘作業(yè)的機械，它由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺和行走裝置三大部分組成

55、。工作裝置作為液壓挖掘機的三大組成部分之一，因用途不同，種類繁多，其中主要有反鏟裝置、正鏟裝置、挖掘裝載裝置、起重裝置和抓斗裝置等，由于本次設(shè)計側(cè)重點在反鏟裝置，只創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用最廣泛的反鏟裝置?！　∪鐖D2(a)所示，液壓挖掘機反鏟裝置由動臂1、斗桿2、鏟斗3以及動臂油缸4、斗桿油缸5、鏟斗油缸6和連桿機構(gòu)7等組成。其構(gòu)造特點是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，通過油缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。挖掘作業(yè)時，將反鏟裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點，操縱臂油4，使動臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸5和鏟斗油缸6，使鏟斗進行挖掘工作。鏟斗裝滿后，將其轉(zhuǎn)到卸載地點卸載，然后進行第二次循環(huán)挖掘工作。由于油缸可

56、以簡化為兩個串聯(lián)在一起的二副桿，這兩個二副桿的中間鉸為驅(qū)動副(驅(qū)動副用兩個同心圓表示)，因此圖2(a)中的反鏟裝置可以轉(zhuǎn)化為圖2(b) 所示的平面運動鏈型式。 （a） (b) 圖6-2　反鏟裝置的基本結(jié)構(gòu) （2）再生運動鏈和創(chuàng)新運動鏈①反鏟裝置的工作要求　　為了下面討論方便，先定義幾個概念：　　定義1　分離桿：如果自由度為F的平面運動鏈中存在某個桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運動鏈則被分解成自由度分別為F1、F2的兩個子平面運動鏈，并且F=F1+F2，則稱此桿為分離桿?！　《x2　分離自由度：如果自由度為F的平面運動鏈中至少存在一個桿，把此桿“切”為

57、兩塊，該平面運動鏈則被分解成自由度分別為F1、F2的兩個子平面運動鏈，并且F=F1+F2，那么該平面運動鏈的自由度類型為分離自由度?！　《x3　驅(qū)動副：作動力源的運動副稱為驅(qū)動副。分析圖2(b)中所示的反鏟裝置的平面運動鏈，可以發(fā)現(xiàn)，該裝置是一個自由度為3的12桿機構(gòu)，其自由度類型為分離自由度，并且具有二個分離桿，即動臂1和斗桿2?！　》寸P裝置的工作要求是，能夠控制挖掘高度、卸載高度、挖掘深度和挖掘半徑。為了保證最大的挖掘范圍，反鏟裝置必須具有兩個分離桿。具有兩個分離桿的機構(gòu)，其自由度一定大于或等于3。所以反鏟裝置機構(gòu)結(jié)構(gòu)的最基本要求是：自由度大于或等于3，并且具有兩個分離桿。隨著自由度和桿數(shù)

58、的增加，機構(gòu)的復雜程度將大大增加，因此作者只研究能滿足基本要求的自由度等于3、桿數(shù)不大于12的反鏟裝置。②滿足要求的連桿組合　　由于分離桿的副數(shù)應(yīng)大于或等于4，因此反鏟裝置至少應(yīng)有兩個副數(shù)大于或等于4的多副桿。自由度等于3、桿數(shù)不大于12，并至少應(yīng)有兩個4副以上桿的連桿組合有下列幾種?！　?1)N=10，N2=8，N3=0，N4=2，N5=0，N6=0 　　(2)N=12，N2=10，N3=0，N4=1，N5=0，N6=1 　　(3)N=12，N2=10，N3=0，N4=0，N5=2，N6=0 　　(4)N=12，N2=9，N3=1，N4=2，N5=0，N6=0 　　(5)N=12，N

59、2=9，N3=0，N4=3，N5=0，N6=0 　　(6)N=12，N2=8，N3=2，N4=2，N5=0，N6=0 　　　　　　　　　其中：N為桿數(shù)　　　　　　　　　　　　NI為具有I個運動副的桿數(shù) ③滿足要求的運動鏈　　對于以上六種連桿組合，具有分離自由度的平面運動鏈數(shù)目分別是2、5、2、42、12和103共166種，經(jīng)計算，其中只有25個平面運動鏈具有兩個分離桿。又自由度為3的反鏟裝置被兩個分離桿分解成三個子平面運動鏈，每個子平面運動鏈都含有一個驅(qū)動副，也就是說，每個子平面運動鏈中都得有一個油缸。又因為在平面運動鏈中油缸可用兩個串聯(lián)的二副桿來代替，因此反鏟裝置的每個子平面運動鏈至少

60、應(yīng)有一串聯(lián)的二副桿。如圖3所示的12種運動鏈為滿足上述要求的運動鏈。 圖6-3　滿足要求的運動鏈 ④運動鏈評價與篩選　　根據(jù)挖掘機的用途，為了盡量增大挖掘作業(yè)范圍，其機架桿必須在平面運動鏈的一端，而不應(yīng)位于平面運動鏈的中間。另外，反鏟裝置的底座得承受較大的載荷，要求由機架、動臂及動臂油缸組成一個四桿的子平面運動鏈。編號為1、2、3、9、10的五個平面運動鏈中，可以作為機架的四個桿1、3、4、6，它們互為同位桿，因此可用任一桿作機架，假設(shè)桿3是機架，編號為4、5、6的三個平面運動鏈中，機架可以是桿3或桿6，但是若桿3為機架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動副，得到反鏟裝置，其中油缸的支撐點鉸⑩在挖掘過程中

61、很可能后移，從而影響反鏟裝置的工作性能，因此機架只能是桿6。編號為7、8、11、12的四個平面運動鏈中，機架是桿3。編號為1、2的平面運動鏈，桿3為機架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動副，可以看出，這兩個平面運動鏈中鏟斗6的工作情況完全一樣，因此可以拋棄編號為2的平面運動鏈。編號為9、10的兩個平面運動鏈，桿3為機架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動副，斗桿油缸的支承點鉸⑩在挖掘過程中后移；編號為11、12的兩個平面運動鏈，桿3為機架，鉸①、⑧、⑤為驅(qū)動副，鏟斗油缸的支承點鉸⑦在挖掘過程中后移。因此編號為9、10、11、12這四個平面運動鏈得到的反鏟裝置，其工作性能不佳。　　(3)創(chuàng)新機構(gòu)結(jié)構(gòu)方案　　通過以上分析，只有

62、編號為1、3、4、5、6、7、8的平面運動鏈可作為反鏟裝置的結(jié)構(gòu)型式，這七種反鏟裝置見表1。其中，編號7是現(xiàn)有反鏟裝置，其余六種是新型反鏟裝置。與現(xiàn)有反鏟裝置進行比較，編號1最簡單，能增大挖掘力，但其鏟斗擺角較??；編號3、4、5、6能增大斗桿擺角；編號8的鏟斗油缸直接驅(qū)動鏟斗，因此挖掘力較大。 表1　桿數(shù)不大于12的反鏟裝置 序 號 平面運動鏈 編　　號 機架 桿號 動臂 桿號 斗桿 桿號 鏟斗 桿號 動臂油 缸鉸號 斗桿油 缸鉸號 鏟斗油 缸鉸號 1 1 3 9 10 6 ① ⑨ ⑤ 2 3 3 11 12 6 ① ⑨

63、 ⑤ 3 4 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 4 5 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 5 6 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 6 7 3 11 12 7 ① ⑤ 7 8 3 11 12 9 ① ⑧ ⑤ 將編號1、3、4、5、6、8的平面運動鏈分別畫成驅(qū)動機構(gòu)形式，如圖4所示。在圖4中，1是動臂、2是斗桿、3是鏟斗、4是動臂油缸、5是斗桿油缸、6是鏟斗油缸。 圖6-4　新型反鏟裝置 本次創(chuàng)新設(shè)計結(jié)合液壓挖掘機構(gòu)中的反鏟裝置，提出基于結(jié)構(gòu)推理的機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計方法。該方法通過對原始機構(gòu)一般化運動鏈的拓

64、撲特征的提取，進行運動鏈結(jié)構(gòu)類型綜合，以達到運動鏈再生，經(jīng)過對運動鏈評價篩選型，形成創(chuàng)新運動鏈，再將創(chuàng)新運動鏈轉(zhuǎn)化為機構(gòu)形成可行的創(chuàng)新機構(gòu)方案。 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計歷時一個學期，是在大學四年所學知識的一次綜合應(yīng)用，它將理論與實際結(jié)合在一起，即總結(jié)了大學學習的重要內(nèi)容，又給我們提供了應(yīng)用所學知識和查閱有關(guān)資料的能力，是對大學四年學習的檢驗和完善。 本次畢業(yè)設(shè)計，將機械、液壓結(jié)合在一起，突出體現(xiàn)了機械行業(yè)的發(fā)展方向，同時，各學科的交叉與綜合顯得相當明顯，這也是多學科發(fā)展的方向。 本次設(shè)計的履帶式液壓挖掘機與其它類型的挖掘機相比在很多優(yōu)點，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單。設(shè)計過程中運用AutoCAD制圖

65、設(shè)計，使計算更準確，設(shè)計更合理，充分體現(xiàn)出了現(xiàn)代設(shè)計的優(yōu)越性。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學會了如何查閱資料，如何應(yīng)用已學的知識，深刻體會了所學知識的重要性，以及使所學知識聯(lián)系起來成為一個系統(tǒng)的整體的必要性，逐漸形成一套自己提出問題、分析問題、最后解決問題的整套思路。這些寶貴財富都會使自己在將來的學習和工作中受益匪淺。由于所學知識有限，實際經(jīng)驗缺乏，因此，畢業(yè)設(shè)計中難免存在缺陷與不足，懇請各位老師及評閱者批評指正，將在今后的學習和工作中進行彌補。 參考文獻 ［1］ 曹善華,余涵.單斗液壓挖掘機.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1980 ［2］ 孔德文,趙克利.液壓挖掘機.北京：化學工業(yè)出版社，20

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